燃料电池系统技术方案

本发明专利技术涉及一种具有用于混合燃料和氧化剂的改进的布置的燃料电池系统。本发明专利技术涉及一种高温燃料电池系统，特别地涉及一种固体氧化物燃料电池系统。喷射器具有用于一部分未使用氧化剂、一部分未使用燃料和一部分初级氧化剂的三个入口。喷射器迅速地混合并夹带未使用氧化剂、一部分未使用燃料和一部分初级氧化剂，混合物在喷射器中驻留的时间小于点燃混合物所需的时间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及具有用于混合燃料和氧化剂的改进的布置的燃料电池系统。本专利技术涉及高温燃料电池系统，特别地涉及固体氧化物燃料电池系统。
技术介绍
燃料电池是直接由氧化燃料产生电力的电化学转化装置。燃料电池的特征在于它们的电解质材料，例如，固体氧化物燃料电池(SOFC)具有固体氧化物电解质或陶瓷电解质。目前，固体氧化物燃料电池的主要变型是管式固体氧化物燃料电池(T-SOFC)、平板式固体氧化物燃料电池(P-SOFC)和单片式(monolithic)固体氧化物燃料电池(M-SOFC)。管式固体氧化物燃料电池包括具有内电极和外电极的管式固体氧化物电解质构件。通常，内电极为阴极，外电极为阳极。氧化剂气体被供应至管式固体氧化物电解质构件的内部中的阴极，燃料气体被供应至管式固体氧化物电解质构件的外表面上的阳极。(这可以倒序)。管式固体氧化物燃料电池允许简单的电池堆叠布置并且基本上完全没有密封。然而，这种类型的固体氧化物燃料电池的制造非常复杂、耗费人力且成本高。此外，这种类型的固体氧化物燃料电池由于通过相对大直径的管式电池的长电流传导路径而具有相对低的功率密度。单片式固体氧化物燃料电池具有两个变型。第一变型具有电极在其两个主表面上的平板式固体氧化物电解质构件。第二变型具有电极在其两个主表面上的波纹板式固体氧化物电解质构件。单片式固体氧化物燃料电池适于更简单的流延成型制造工艺和压延制造工艺，并且保证了较高的功率密度。这种类型的固体氧化物燃料电池需要将整体中的所有燃料电池层从其生坯状态共烧结。然而，这导致严重的收缩和开裂问题。这种类型的固体氧化物燃料电池并非如此容易地多样化和密封。平板式固体氧化物燃料电池也适于流延成型制造工艺和压延制造工艺。目前，其需要厚的(150微米至200微米)自支承固体氧化物电解质构件，这限制了性能。平板式固体氧化物燃料电池还具有有限的耐热冲击性。固体氧化物燃料电池需要约500℃至约1100℃的操作温度以保持低的内电阻。SOFC具有阳极回路和阴极回路，向阳极回路供应燃料(通常为甲烷)流，并且向阴极回路供应氧化剂(通常为空气)流。保持这样的高温是一种挑战，并且已经提出了许多解决方案。一种产生热的有用方式是使在燃料流已经通过SOFC堆的阳极之后燃料流中仍然存在的任何燃料燃烧。燃烧室可以被用于在阳极回路的出口处完成耗尽燃料的氧化。燃烧室还可以将来自阴极回路的热氧化剂作为输入。燃烧室通常被设计成在燃料和氧化剂流中产生非常有限的压力损失。燃烧产物被喷射器夹带并且被供给至热交换器的热侧，其中新鲜燃料和/或氧化剂在热交换器的冷侧被预热。在一些已知的固体氧化物燃料电池系统中，燃烧产物与新鲜氧化剂直接混合，然后被供应至固体氧化物燃料电池的阴极以产生足够的温度升高，使得固体氧化物燃料电池处于所需的操作温度。然而，现已发现，存在于被供应至固体氧化物燃料电池的阴极的燃烧产物中的一些燃烧产物(例如，蒸汽)对固体氧化物燃料电池的性能和耐久性是有害的。WO2007/128963公开了一种燃料燃烧器，其包括具有第一密封边缘和第二开口边缘的多个密封燃料管。燃料管基本上彼此平行地布置以形成多个氧化剂通道。燃料管和氧化剂通道被布置成使得燃料能够与氧化剂混合以向燃烧器提供通过燃烧器的低压降。然而，具有以错综复杂的方式布置的多个燃料管板是昂贵的并且难以制造。WO2012/013460公开了一种固体氧化物燃料电池系统，其包括固体氧化物燃料电池堆和燃气涡轮发动机，燃气涡轮发动机的压缩机被布置成将氧化剂供应至固体氧化物燃料电池堆的阴极，并且燃料供应器被布置成将燃料供应至固体氧化物燃料电池堆的阳极。该系统被布置为使得未使用氧化剂和未使用燃料被再循环并且被供给至燃烧室中。燃烧室被布置成供应热交换器的入口。热交换器的优点在于：其使得能够在不使已被发现损害固体氧化物燃料电池的性能和耐久性的燃烧产物(例如，蒸汽)经过的情况下将热传递至固体氧化物燃料电池堆。燃烧室依靠自燃来点燃燃烧器。这需要环境燃烧器温度超过燃料混合物的自燃温度；自燃温度为约600℃。这个要求对启动系统的设计施加了限制。此外，为了确保在点燃燃烧器发生故障期间无法形成爆炸性混合物，燃烧器需要复杂且昂贵的安全系统以使得能够进行燃烧器的点燃检测。安全系统通常包括非常昂贵的安全临界传感器。
技术实现思路
根据第一方面，提供了一种高温燃料电池系统，其包括高温燃料电池堆、压缩机和涡轮机，高温燃料电池堆包括至少一个高温燃料电池，每个高温燃料电池包括电解质、阳极和阴极，压缩机被布置成将至少一部分氧化剂供应至所述至少一个高温燃料电池的阴极，燃料供应器被布置成将燃料供应至所述至少一个高温燃料电池的阳极，高温燃料电池堆被布置成将来自所述至少一个高温燃料电池的阴极的未使用氧化剂的第一部分供应至喷射器，高温燃料电池堆被布置成将来自所述至少一个高温燃料电池的阳极的一部分未使用燃料供应至喷射器，压缩机被布置成将一部分氧化剂供应至喷射器，喷射器被配置成通过由压缩机供应的所述一部分氧化剂来夹带未使用氧化剂和未使用燃料以形成未使用燃料和氧化剂的混合物。有利地，未使用燃料和氧化剂的混合物可以被夹带至喷射器外部的燃烧区用于未使用燃料和氧化剂的混合物的燃烧。燃烧区可以被配置成将来自未使用燃料和氧化剂的混合物的燃烧的废气供应至热交换器的第一入口。热交换器可以被布置成将来自热交换器的第一出口的至少一部分废气供应至涡轮机。来自压缩机的所述至少一部分氧化剂和来自所述至少一个高温燃料电池的阴极的未使用氧化剂的第二部分可以被供应至热交换器的第二入口以对被供应至所述至少一个高温燃料电池的阴极的氧化剂进行预热。热交换器可以被布置成将来自压缩机的所述至少一部分氧化剂和来自所述至少一个高温燃料电池的阴极的未使用氧化剂的第二部分从热交换器的第二出口供应至所述至少一个高温燃料电池的阴极。具有三个入口(即，来自压缩机的氧化剂、来自阴极的未使用氧化剂和来自阳极的未使用燃料)的喷射器的布置提供对未使用氧化剂和未使用燃料的非常高的剪切混合。喷射器由来自压缩机的氧化剂驱动，并且入口喷嘴的几何形状可以被配置成促进贯穿喷射器的非常高的气体速度。通过喷射器的混合过程如此迅速使得在喷射器自身内没有足够的时间发生混合物中的能量传递，并且在燃料与氧化剂之间的能量传递中的毫秒延迟的时间足够使未使用燃料和氧化剂的混合物离开喷射器进入下游燃烧区，未使用燃料和氧化剂的混合物随后在下游燃烧区中燃烧。由于存在如果混合过程不够迅速则混合物可能在喷射器内点燃的危险，因此，重要的是喷射器能够进行高剪切混合。三个入口的喷射器和独立燃烧区的益处在于：喷射器使未使用燃料和氧化剂流在可能自燃之前完全预混合。未使用燃料和氧化剂的混合物在该预混合状态下更有效地燃烧，并且有害的氮氧化物(NOx)气体的释放减少。此外，通过在喷射器内混合未使用燃料和氧化剂，由于喷射器执行使未使用燃料和氧化剂混合并将混合物传送至燃烧区的过程，因此可以从高温燃料电池系统中省略燃烧室。燃烧区可以是用于预混合的未使用燃料和未使用氧化剂的燃烧的空间或专用空间。在喷射器中形成的混合物可以在燃烧区内自燃。空气动力学再循环区可以被设置在燃烧区中以使均匀非催化燃烧稳定。催化氧化反应器可以位于喷射器和燃烧区的下游。催化氧化反应器可以帮助高温燃料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温燃料电池系统，其包括高温燃料电池堆、压缩机和涡轮机，所述高温燃料电池堆包括至少一个高温燃料电池，每个高温燃料电池包括电解质、阳极和阴极，所述压缩机被布置成将至少一部分氧化剂供应至所述至少一个高温燃料电池的所述阴极，燃料供应器被布置成将燃料供应至所述至少一个高温燃料电池的所述阳极，所述高温燃料电池堆被布置成将来自所述至少一个高温燃料电池的所述阴极的未使用氧化剂的第一部分供应至喷射器，所述高温燃料电池堆被布置成将来自所述至少一个高温燃料电池的所述阳极的一部分未使用燃料供应至所述喷射器，所述压缩机被布置成将一部分氧化剂供应至所述喷射器，所述喷射器被配置成通过由所述压缩机供应的所述一部分氧化剂来夹带所述未使用氧化剂和所述未使用燃料以形成未使用燃料和氧化剂的混合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.04 GB 1411986.11.一种高温燃料电池系统，其包括高温燃料电池堆、压缩机和涡轮机，所述高温燃料电池堆包括至少一个高温燃料电池，每个高温燃料电池包括电解质、阳极和阴极，所述压缩机被布置成将至少一部分氧化剂供应至所述至少一个高温燃料电池的所述阴极，燃料供应器被布置成将燃料供应至所述至少一个高温燃料电池的所述阳极，所述高温燃料电池堆被布置成将来自所述至少一个高温燃料电池的所述阴极的未使用氧化剂的第一部分供应至喷射器，所述高温燃料电池堆被布置成将来自所述至少一个高温燃料电池的所述阳极的一部分未使用燃料供应至所述喷射器，所述压缩机被布置成将一部分氧化剂供应至所述喷射器，所述喷射器被配置成通过由所述压缩机供应的所述一部分氧化剂来夹带所述未使用氧化剂和所述未使用燃料以形成未使用燃料和氧化剂的混合物。2.根据权利要求1所述的高温燃料电池系统，其中所述喷射器具有初级夹带空间、次级夹带空间、混合空间和排放空间。3.根据权利要求2所述的高温燃料电池系统，其中所述初级夹带空间具有用于来自所述压缩机的氧化剂的第一入口。4.根据权利要求2或3所述的高温燃料电池系统，其中所述次级夹带空间具有用于来自所述阴极的未使用氧化剂的第二入口，并且还具有用于来自所述阳极的未使用燃料的第三入口。5.根据权利要求3或权利要求4所述的高温燃料电池系统，其中所述第一入口、所述第二入口和所述第三入口中的每一个均具有入口喷嘴。6.根据任何前述权利要求所述的高温燃料电池系统，其中所述混合物被夹带至所述喷射器外部的燃烧区用于所述混合物的燃烧。7.根据权利要求6所述的高温燃料电池系统，其中所述燃烧区在所述喷射器的出口处是一体化的。8.根据权利要求6或7所述的高温燃料电池系统，其中所述燃烧区被配置成将来自所述混合物的燃烧的燃烧产物供应至热交换器的第一入口。9.根据权利要求8所述的高温燃料电池系统，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：菲利普·巴特勒，米凯莱·博佐洛，埃里克·迪安，彼得·麦克尼利，加里·桑德斯，
申请(专利权)人：LG燃料电池系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US